TPACK理論視野下初中物理創(chuàng)新實驗的實施

TPACK理論視野下初中物理創(chuàng)新實驗的實施，其主要內容是在傳統(tǒng)教學模式的基礎上，對學生進行以興趣為前提的實驗教學。教師需要借助學生對物理學習的興趣，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。本文將具體闡述TPACK理論視野下初中物理創(chuàng)新實驗的實施。

TPACK即整合技術的學科教學知識，該術語對應的英文單詞組合的首字母縮寫，是它的英文縮寫，是指一種新興的學科教學模型，具體而言包括3個重要的核心內容，即學科內容模型（CK）、教學法模型（PK）和技術模型（TK），以及相互融合的4個復合要素，是基于學生已有的知識、經(jīng)驗和方法等知識背景，為學習新的知識而設計的各種解決問題方法和策略的集合。[1]筆者相信，基于TPACK理論視野開展初中物理創(chuàng)新實驗教學，可以取得良好的效果。

一、TPACK理論的特點

TPACK理論將學習的過程和結果用多種形式呈現(xiàn)出來，使學生能夠在學習中不斷發(fā)現(xiàn)問題并進行探究，提高學生的創(chuàng)新能力。在傳統(tǒng)的教學模式中，教師只是一個傳授者，學生僅僅是被動地接收知識，而在TPACK理論視野下，教師不是一個傳授者，而是一個參與者。TPACK教學法要求學生積極參與，主動探索、發(fā)現(xiàn)問題并提出解決問題的方案。在TPACK教學中教師將學習知識和學習過程變成一個開放的系統(tǒng)，通過網(wǎng)絡來傳遞信息。這使得學習過程更加靈活、開放、富有創(chuàng)造性，有利于提升教師與學生之間的交流效率。[2]TPACK教學法使學生對問題有更多的認識和理解，通過學習活動提高了學生之間互相協(xié)作能力，培養(yǎng)了學生自主學習與合作學習的意識，通過研究可以不斷發(fā)現(xiàn)新知識并解決新問題。同時，TPACK教學法也有助于培養(yǎng)學生的探究能力、創(chuàng)新能力。總之，TPACK理論強調師生之間、生生之間在知識、技能和方法方面存在著差異，教師要在課堂上將這些差異展現(xiàn)出來，使每一個學生都能體驗到自我發(fā)展的價值。因此，教師要注意自己對知識與技能掌握水平等方面的提升。

二、初中物理實驗教學中應用TPACK理論的原則

TPACK理論應用于初中物理實驗，應遵循以下原則。

（一）精準定位，明確技術應用場景

做好初中物理實驗，是引導學生深度學習物理、探究物理知識的基礎性操作。為了更好地引導學生做好物理實驗，教師需要對擬操作的實驗進行精確定位，明確技術應用場景。具體可以從如下幾個方面來處理。

1.在教學實驗無法進行操作或難以測量的地方應用技術

一些物理實驗受各方面條件限制，很難真正實現(xiàn)，或難以完成測量工作，這就需要用到技術支持。以多媒體為核心的現(xiàn)代信息技術可較好地將圖片、文字和聲音融為一體，以視聽媒體形式向學生描述一些復雜的物理運行情景，因此可以加以利用。比如，教師可以用多媒體展示天體運動規(guī)律，呈現(xiàn)地球和衛(wèi)星關系，揭示超重和失重現(xiàn)象等；也可以轉播相關實驗視頻，如“天宮授課”的實驗視頻，這樣可以讓學生很好地了解相關實驗的過程，理解相關物理現(xiàn)象。

2.在處理批量數(shù)據(jù)和需要繪制物理圖像的實驗中應用技術

物理圖像繪制需要基于大量基礎性的數(shù)據(jù)，這種情況下需要用到相關的設備和技術。數(shù)字傳感器、數(shù)據(jù)采集設備、計算機軟件都將在大批量數(shù)據(jù)采集中發(fā)揮不可或缺的作用。開展利用這些技術的實驗，有利于學生更好地理解物理科學的應用價值。如水沸騰實驗、結晶融化與凝固定律實驗中利用溫度傳感器采集溫度數(shù)據(jù)、歐姆定律實驗中利用電流和電壓傳感器采集數(shù)據(jù)等，都能讓學生從技術應用中感受到物理科學的應用價值，培養(yǎng)其對物理學的興趣。

3.在實驗過程中耗時多、存在安全隱患或瞬間變化中應用技術

一些物理實驗需要較長的時間，或者安全風險不易控制，不宜在課堂教學中組織實施，就有必要通過技術手段來呈現(xiàn)。[3]比如，教師可以采用動畫來模擬固體分子的擴散現(xiàn)象，如硫酸銅的擴散。又如，用汞柱測量大氣壓力、家庭電路短路、人體觸電等實驗具有較大的安全風險，在學生較多的情況下安全管理可控性欠佳，為避免出現(xiàn)實驗安全意外，教師可以采用模擬實驗技術或虛擬實驗技術讓學生明白相關現(xiàn)象和原理。

（二）審時度勢，精心選擇技術方案

隨著現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展，各種現(xiàn)代科技設備，如數(shù)字儀器、傳感器、數(shù)據(jù)采集器、數(shù)據(jù)分析處理軟件、虛擬實驗手機App、虛擬仿真實驗平臺等都在物理實驗教學中獲得了較為廣泛的應用。這些信息技術設備和軟件為我們虛擬地開展物理實驗提供了較多的技術方案，這就要求教師要根據(jù)實際教學內容和現(xiàn)有條件精心選擇相應的實驗技術方案，以較少的成本獲得較好的實驗教學效果。比如，虛擬仿真實驗平臺的應用對大多數(shù)實驗來說就是優(yōu)選方案，教師可以組織學生進入平臺，按提示模擬現(xiàn)實做好相關實驗設計和準備，并開展仿真實驗活動，使學生最終能從過程中看到實驗現(xiàn)象，觀察到實驗的結果，進而理解現(xiàn)象和原理。當然，有些實驗本來很簡單，教師就不必選擇這樣的技術方案，可選擇更簡單的技術方案來實現(xiàn)。

（三）謀定后動，引導學生熟練應用技術

教師要注意研究和滲透初中物理教學中的實驗內容，提前確定好各個實驗需要的材料、場地以及要用到的技術方案。對于需要用到技術支持的實驗，教師要提前對學生進行適當?shù)挠柧殻寣W生充分理解和熟悉技術操作流程及要點，并反復訓練，達到熟練應用相關技術的目的。教學中，教師要讓學生在技術輔助的實驗中充分體會和掌握實驗的思路、方法及原理，并能聯(lián)系生活實踐進行思考和探究，進而較好地完成相關實驗操作，達成相應的教學目標。

三、初中物理實驗教學中應用TPACK理論的策略

（一）以TPK為基礎，創(chuàng)新思路

TPK即整合技術教學法知識，是技術與教學方法的結合，是TPACK體系的一個重要組成部分。物理實驗不是單純的組裝，更不是簡單地介紹實驗的原理。教師要以系統(tǒng)化的理論來引導技術的運用。以下筆者以“電磁感應現(xiàn)象”實驗為實例，探討在TPACK理論基礎上進行物理創(chuàng)新實驗的實施。

（二）以PCK為基礎分析內容

1.分析內容

電磁感應現(xiàn)象是學生理解各種發(fā)電機發(fā)電原理的基礎，也是電磁教育的重要組成部分。學生在了解電力與電動機之前，先要弄清“電從何而來”的問題，可以為后面的發(fā)電機與高中時的電磁理論打下良好的基礎。電磁感應現(xiàn)象是培養(yǎng)學生科學探索能力的重要教學內容。學生經(jīng)過學習，可初步了解電磁感應現(xiàn)象，并了解其產(chǎn)生原理與能量轉換的過程。

2.分析學生學習的情況

有關磁場、電磁場、磁感線等基本的物理學概念，學生經(jīng)過前期的學習，已有一定的認識，但對概念對應的本質還不甚理解。對于“電生磁”現(xiàn)象，學生往往有濃厚的興趣，同時，他們也會產(chǎn)生一個疑問：“磁可以產(chǎn)生電嗎？”教師就要順勢從能量轉換的觀點出發(fā)，指導學生學習什么情況下磁場能產(chǎn)生電能。由于初中生的抽象思考能力比較弱，因此教師要運用一套直觀的技術，如磁場、電流、導線切割磁力線等現(xiàn)象展示給學生看，使學生容易接受知識。在教學過程中，教師通過自主設計的教具、傳感器采集系統(tǒng)、同步投屏等技術，設置電子白板進行課堂活動，創(chuàng)設出真實的物理問題情境，并設置問題或屏障，使學生有“心不能達，嘴不能說”的心理，這樣既能培養(yǎng)學生對物理的認識，又能激起他們的好奇心。學生對發(fā)電機的工作原理有了初步的認識后，可體驗到電磁感應現(xiàn)象在日常生活中的運用，從而減少對物理的恐懼。通過探討導線中感應電流的生成條件，學生相互的溝通與協(xié)作，獲取一些經(jīng)驗和方法，為以后的學習、生活提供一定的參考。

（三）以TCK為基礎，構建模型

1.以能量轉化作為切入點引入概念設計創(chuàng)新實驗

“磁生電”在日常生活中很常見，然而，學生對它的原理、能量轉換卻缺乏足夠的重視。因此，在新課程實施過程中，教師要進行創(chuàng)新性的實驗。如教師演示“兩塊磁石同時著地”的實驗，指導學生進行創(chuàng)新性的實驗（如圖1）。教師拿出兩根同樣的亞克力管，將500匝漆包線均勻地纏繞在其中一根管道上，然后將一根漆包線連接到一個臨時的密封裝置上，再將兩根同樣大小的強磁鐵放入亞克力管的頂端。為了方便學生觀察，教師在管子下面放了兩燒杯的染色水，以便學生觀察和比較燒杯中噴水的順序。學生注意到，空亞克力管里的磁石最先掉下來。在磁體下降時，連接漆包線的儀器顯示值顯著增大。教師問道：“為什么亞克力管周圍有漆包線，里面的磁體下降得比較慢？”學生用漆包線連接儀表板上的數(shù)字來判斷，電線上有電流流動。兩個磁體在同一高度處于靜止狀態(tài)，其勢能相同，當磁體通過亞克力管時，所有的勢能都會轉變成動能；當通過纏繞著漆包線的亞克力管時，由于能量的一部分被轉換成了電能，使得磁體的動能降低，從而導致磁體下降。通過這LxZtYnuEOLMDVaZKQjcDg7+eqD9ARY/g4TuXzhncTcs=種方法，學生對“磁生電”的理論和方法有了一定的認識。教師充分發(fā)揮創(chuàng)新性實驗所具有的趣味性、挑戰(zhàn)性和實效性等特點，激發(fā)學生對知識的渴望，從而引起他們的注意，激發(fā)學生的學習興趣，在能量轉換觀念中尋找突破口，培育學生的能量觀念。

2.以整合技術為基礎，設計物理模型

初中階段的形象思維是非?；钴S的，如果教師只用講課的方法來解釋抽象的物理概念，會使學生產(chǎn)生反感。在物理創(chuàng)新實驗中運用合適的教學技術，往往能取得出其不意的結果。教師利用兩對方形的硼銣磁鐵、木板、彩紙等材料，制造出四個巨大的平面磁鐵，并以它們?yōu)橹行?，形成一個平行的磁場。磁場是無形的。磁極間的磁場在空間上的分布是怎樣被簡單地呈現(xiàn)出來的？通過觀察和討論，學生提出了一個解決辦法：平行排列的四束激光光束，以突出實驗現(xiàn)象，利用煙筒（通過小型電扇的方向），使磁極間的磁場分布更為清晰，從而探索“磁生電”的形成條件。學生通過小組討論，利用數(shù)字創(chuàng)意實驗設備來探索電感電流的產(chǎn)生。教師引導學生裝配微型電流傳感器、數(shù)據(jù)采集裝置、帶有軟件的手提電腦，并利用微電流傳感器的鱷魚鉗將一根直銅絲插入閉合線路中。學生用銅絲在平行磁場中先慢慢地上下運動，再迅速地上下運動，然后計算機屏幕就會出現(xiàn)感應電流的影像。教師開展以上數(shù)字實驗的最大優(yōu)勢在于，可以建立一定的數(shù)學模型，如平行磁場，磁線的不同方向、大小、方向的感應電流等，幫助學生加深對概念的認識，提高思維水平，并以數(shù)據(jù)的收集與影像來進行可視化的教學，使學生能夠在深度學習中“頓悟”。

四、結語

TPACK理論是教師對數(shù)字教學能力的一種科學理論，而對中學物理實驗進行創(chuàng)造性的探索與實踐，則需要相應的理論支持。在物理創(chuàng)新實驗中，教師不能一味地追求高科技，要找到技術突破口，把數(shù)字技術的教學技巧與觀念應用于物理創(chuàng)新實驗，總結出創(chuàng)新的實驗方法與途徑，促進物理實驗教學質量的提高。

參考文獻：

［1］尹奇兵.基于TPACK的高中物理實驗教學設計與實踐［D］.武漢：華中師范大學，2019.

［2］保永亮，謝夢逸，張輝，等.TPACK理論在物理教學中的應用：以“單擺”教學為例［J］.物理通報，2021（6）：2-4.

［3］張睿，李靜，季衛(wèi)新.基于TPACK整合技術的初中物理研究性備課：以蘇科版教材“速度”為例［J］.中學物理，2020（20）：2-5.

（作者單位：貴州省遵義市第五十五中學）

編輯：張俐麗